石油工程——毕业论文 螺杆泵合理转速研究

石油工程——毕业论文

高等继续教育

毕业设计（论文）

题 目_____螺杆泵合理转速研究_________ 学 生_________________________________ 联系电话_________________________________ 指导教师_________________________________ 评 阅 人_________________________________ 教学站点_________________________________ 专 业_________________________________ 完成日期______________________________ __

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摘 要

螺杆泵采油作为一种重要的机械举升方法，具有很明显的特点和优势，其应用数量与水平正呈明显的上升趋势。分析和研究螺杆泵合理转速范围，对指导油田实际生产、实现节能降耗有着重要工程实际意义。本文通过对螺杆泵发展历史、国内外应用现状及发展趋势的调研，在介绍螺杆泵结构及工作原理的基础上，对螺杆泵工作特性曲线及其特点进行了分析；理论分析了影响螺杆泵泵效和系统效率的主要因素，主要有砂粒、定子与转子间配合间隙、温度及转速；通过给出螺杆泵进出口压差计算公式和对抽油杆进行了受力分析，给出了确定螺杆泵合理转速范围的方法；利用给出的方法，编制了计算机程序，并进行了10口井的现场试验研究，结果表明本方法有效、可行。在综合分析理论研究及现场试验结果的基础上，提出了一些合理化建议，对延长螺杆泵寿命、指导螺杆泵井生产有一定应用价值。

关键词：螺杆泵 工作特性曲线 转速 泵效 系统效率

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目 录

第1章 概 述 ......................................................... 1

1.1 螺杆泵采油的发展历史 ...................................... 1 1.2 国内外应用现状 ............................................ 2 1.3 本文研究的意义及主要内容 .................................. 3

第2章 螺杆泵的基本工作原理 .......................................... 5

2.1螺杆泵的基本工作原理 ...................................... 5 2.2 螺杆泵相关参数 ............................................ 7 2.3 螺杆泵工作特性曲线 ....................................... 10 2.4 螺杆泵最佳/合理工作区的选择 .............................. 11

第3章 螺杆泵泵效和系统效率影响因素分析 ............................. 13

3.1砂粒的影响 ............................................... 13 3.2 定子与转子间配合间隙对螺杆泵效率的影响 ................... 13 3.3 温度的影响 ............................................... 18 3.4 转速的影响 ............................................... 18

第4章 螺杆泵合理转速的研究 ......................................... 20

4.1 螺杆泵进出口压差的计算 ................................... 20 4.2 抽油杆受力分析 ........................................... 22 4.3 算例 ..................................................... 27 4.4 小结及建议 ............................................... 34

结 论 ............................................................... 36 参考文献 ............................................................ 37 致 谢 ............................................................... 39 附录一 .............................................................. 40 附录二 .............................................................. 43

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第1章 概 述

1.1 螺杆泵采油的发展历史

作为一种新型的机械采油方式——螺杆泵采油核心的螺杆泵已经有了较长的发展历史，19世纪20年代中期法国人勒内·莫依诺发明设计出这种泵，30年代初期，莫依诺原理获得专利权，很快便有很多公司开始生产螺杆泵。1945年以来，

[1]

螺杆泵在技术和制造工艺上都做了大量的改进和完善，继法国之后，美国、前苏联以及加拿大等国家都开展了螺杆泵的研制和应用，50年代中期，莫依诺原理（Moyno Theory）被用于钻井工业中，80年代初期，螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备，美国的Kois & Myers公司是首批采油螺杆泵的制造商，他们把螺杆泵作为一种代替常规举升工艺的替代技术推向市场。我国从80年代中期将螺杆泵引入到油田生产当中，1986年大庆油田从加拿大Griffin公司引进螺杆泵在油田试用，从此，国内厂家便开始了较系统地研制井下采油螺杆泵的工作。

目前，井下采油螺杆泵大致可分为以下三种结构形式：

[2]

一是地面驱动采油螺杆泵，它是井下采油螺杆泵中最简单的结构形式，也是国内外井下采油螺杆泵采用的主要结构形式，其主要的特点是螺杆泵在井下，而提供动力的装置在地面之上，二者之间由抽油杆联系起来。由于是利用抽油杆传递螺杆泵所需要的扭矩，因此在大排量情况下很难实现深井采油。

为地面驱动单螺杆泵提供动力的装置是驱动头。驱动头所需的动力主要由电动机或者液压马达提供。由电动机作动力的驱动头，有的采用变频调速，有的利用胶带和减速器共同调速，还有的直接利用减速器调速。利用液压马达作动力调节螺杆泵的转速非常方便。

二是电动潜油单螺杆泵，它的最大特点是螺杆泵和驱动其工作的电机都处于地下，因而不需要抽油杆传递动力，特别适合于深井、斜井和水平井采油作业。

较早开展这种泵研究工作的是前苏联和法国，近年来，美国等发达国家也开始重视电动潜油螺杆泵的开发，并在多砂、高粘深井、定向井、水平井中采用，取得了很好的效果，在某些情况下，电动潜油螺杆泵的使用寿命甚至比电动潜油离心泵高5倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高，大大降低了采油成本，使一些原来经济上无开采价值的油井有了良好的效益。电动潜油螺杆泵由螺杆泵、柔性轴、装有轴承的密封短节、齿轮减速器和潜油电动机等组成。

三是单螺杆液动机—单螺杆泵装置，这种装置将地面动力液送入井下的顶部螺杆衬套副中，以顶部螺杆衬套副作为动力，驱动底部螺杆衬套副旋转，由底部螺杆衬套副作为泵来实现采油作业，目前，这种装置在国外已投入现场应用，但

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数量很少。

1.2 国内外应用现状

在国外应用较普遍的是井下采油单螺杆泵，目前井下采油单螺杆泵的最大

[3-5]

下井深度已达到2438m，最大排量已达795m3/d，泵的平均净举升高度为900m～1550m，排量为80m3/d～160m3/d,在这种情况下泵的系统效率在63%左右，美国一家石油公司曾对螺杆泵采油系统、电动潜油离心泵和有杆泵抽油系统三种采油设备，在水驱采油井中进行同样条件下的采油试验，试验结果表明，三种采油系统的效率分别为63.4%、52.4%、50.4%，其中螺杆泵采油系统的效率最高，此外螺杆泵采油系统的装备投资费用比另外两种采油装备低20%～30%以上，螺杆泵定子的平均寿命为1年～2年，地面驱动部分的寿命在5年以上。推荐螺杆泵的工作转速在500r/min以下。

法国PCM Pompes公司生产的地面驱动采油单螺杆泵的下井深度达到了2000m，排量为120m3/d，使用情况良好。

美国Robbins & Myers公司生产的螺杆泵曾用于煤层气井排水作业。由于水中含有大量的悬浮煤粉和砂，无法应用普通泵，最后选用了螺杆泵。泵的下入深度为800m～900m，平均转速为338r/min，平均排液量为47m3/d，最大排液量达到了196m3/d。在最初的阶段，水中固体颗粒浓度最高，螺杆泵定子的平均寿命仍能达到半年。一年以后，由于水中固体颗粒减少，定子和转子的平均使用寿命分别达到了1年和1.5年，最长的定转子使用寿命达4.7年，有多台达到了3.8年。

加拿大一家石油公司在极稠的油井中应用单螺杆泵采油，井下部分连续运转了两年没有发生故障，地面部分五年内不需要检修。

[6,7]

螺杆泵的工作寿命主要取决于定子衬套材料的性能，定子材料受到多种因素的影响，如温度、芳香族化合物、H2S等，因此深入研究不同环境条件下的定子衬套材料是提高采油螺杆泵性能和工作寿命的关键。目前，国外主要研制了4种橡胶材料作为螺杆泵定子衬套副的材料，即丁腈橡胶、超高丙烯腈含量橡胶、氢化丁腈橡胶和含氟橡胶。含氟橡胶能适应较高的温度，但机械性能不够好，因此工作寿命不长，在定子橡胶中加入添加剂对减小螺杆—衬套副之间的摩擦很有益处，尤其在高含水含气井中。转子的寿命也是影响螺杆泵工作寿命的因素之一。在磨

[8]

蚀和腐蚀环境下表面硼化处理的转子比表面镀铬的转子寿命长得多，试验已证明，表面硼化处理的转子寿命是表面镀铬转子的5倍。

在原油开采中，螺杆泵采油井有抽油机井不可比拟的优点：首先螺杆泵采油的地面设备简单紧凑、操作安全可靠、管理方便、重量轻占地面积小、一次性投资少；其次由于螺杆泵是螺旋抽油的容积式泵，排量均匀无脉动，轴向流动流速稳定，因此没有液柱和机械传动的惯性损失，泵内无阀件和复杂的流道，所以水

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力损失小，故障率低而且泵效高，成为现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一，同时由于能均匀地排液和吸液，溶解气不易从原油中析出，从而减少了气体对泵效的影响，不会发生气锁，因此较适合高含气井；再次螺杆泵是靠橡胶定子和镀铬转子挤压配合，使进入密封腔的流体随转子的转动从吸入端向排出端移动，而且转子和定子之间腔室位置的横截面积和体积都是相同的，腔室移动排油不存在配合间隙和余隙容积问题，不可能发生砂卡、阀失效、气锁等有杆泵常见的故障，所以适合抽汲高粘度和高含砂原油，一般的螺杆泵适合输送粘度为800 mPa·s以下的流体，特殊的螺杆泵能输送粘度更高的流体。

与其他各种采油方式一样，螺杆泵采油也有它自身的缺点：一是容易出现定子脱胶的问题，定子脱胶的原因是由于高速旋转摩擦产生大量的热，使被硫化的橡胶在高温下老化而与钢管脱离，这就要求橡胶定子具有良好的耐磨、耐腐蚀和耐热等物理化学性质，同时，还应具有良好的机械性能；再者螺杆泵的排量低，螺杆泵采油系统的排量随转数的不同而不同。

随着我国各大油田开发的不断发展，油田开发的难度不断增加，如大庆油田的原油生产已经进入高含水期，为了确保稳产、高产，外国的一些低渗透油田也进入了开发阶段，在这种情况下举升设备的重要性就日显突出。螺杆泵以其优越的性能在油田生产中的作用越来越显著，目前，螺杆泵采油作为一种重要的油田举升方法，其应用数量与水平正呈明显的上升趋势，在今后的石油开采中，以螺杆泵作为举升工具的采油井数量还会继续增加。前期投产的螺杆泵井需进一步挖掘潜力，提高举升效率，即将投产的螺杆泵井需优选具有较高举升性能的螺杆泵。

大庆油田自1986年引进首台螺杆泵以来.经历了引进、消化吸收、自主开发3个阶段.到目前为止.地而驱动杆式螺杆泵采油技术已基本成熟配套.成为继游梁式抽油机和电潜泵之后的主力人工举升方式.而且在聚合物驱、二元复合驱和稠油油井上表现出良好的适应性。与其它人工举升方式相比.螺杆泵低投资、低能耗、对介质适应性强等优势在油田高成熟期挖潜增效的作用日益凸显。

1.3 本文研究的意义及主要内容 1.3.1 研究意义

螺杆泵采油技术具有低成本、低能耗和适应介质能力强的特点，近几年来规模不断扩大。螺杆泵的工作特性，既有柱塞泵硬特性的特点，也有离心泵软特性的特点。从理论上讲，螺杆泵转速越高，理论排量越大，泵容积效率也越高。但在现场调参中发现，为了使螺杆泵的沉没度保持在合理范围内，对高沉没度井进行上调参后，达到一定转速后，随着转速的进一步增加，螺杆泵的容积效率呈下降趋势。如果螺杆泵长期处于高速运转状态，转子与定子之间的磨损加快，单位长度内的定转子间的生热量增大，引起橡胶，定转子之间的扭矩增加，整个抽油

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系统的负荷上升。提高转速的同时，杆管系统受力的疲劳程度也随之增加，地面驱动装置受力条件变差，电机实耗功率增加。当转速低于一定值时，螺杆泵的容积效率很低，扬程不够，满足不了生产需要。得出螺杆泵容积效率、系统效率与转速的合理匹配关系，对指导实际生产有着重要意义。

1.3.2 研究内容

（1）在介绍螺杆泵结构及工作原理的基础上，对螺杆泵工作特性曲线及其特点进行分析；

（2）分析影响螺杆泵泵效和系统效率的主要因素； （3）给出确定螺杆泵合理转速范围的方法；

（4）利用给出的方法，编制计算机程序，进行现场试验研究。

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第2章 螺杆泵的基本工作原理

2.1螺杆泵的基本工作原理 2.1.1螺杆泵的组成

目前在国内外应用最为普遍的地面驱动井下单螺杆泵采油系统主要由地面驱动部分、井下泵部分、电控部分、配套工具等四部分组成

[9,10]

。如图2-1所示。

1-电控箱；2-电机；3-皮带；4-方卡子；5-减速箱；6-压力表； 7-专用井口；8-抽油杆；9-抽油杆扶正器；10-油管扶正器；

11-油管；12-螺杆泵；13-套管.

图2-1 螺杆泵采油示意图

（1）地面驱动部分

地面驱动装置（驱动头）是螺杆泵采油系统的主要地面设备，它是把动力传递给井下的螺杆泵转子，使转子实现自转和公转，实现抽汲原油的机械装置。从变速形式上分，地面驱动装置有无级调速和分级调速两种类型。机械传动的驱动装置主要由以下几部分组成：

①减速箱。主要作用是传递动力并实现一级减速。它将电机的动力由输入轴通过齿轮传递到输出轴，输出轴联接变速箱，变速箱除了具有传递动力的作用外，还将抽油杆的轴向负荷传递到采油树上。

②电机。它是螺杆泵的动力源，将电能转化为机械能。一般采用防爆型三相异步机。

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③密封盒。主要作用是防止井液流出，起密封井口的目的。 ④方卡子。主要作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。 （2）井下泵部分

井下泵部分主要由抽油杆、接头、转子、导向头和油管、接箍、定子、尾管等组成。为了防止油管、定子脱扣，在尾管下部应安装油管锚定装置。定子是由丁腈橡胶硫化粘接在定子管内形成的，转子由合金钢调质后，经车铣、剖光、镀铬而成。转子在定子内转动，实现抽汲功能。

（3）电控部分

电控箱是螺杆泵井的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆泵井正常生产时的电流、电压等，有过载、欠载自动保护功能，确保油井的正常生产。

（4）配套工具部分

① 专用井口。它简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增加了井口强度，减小了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换密封盒时密封井口的作用。

② 特殊光杆。它强度大、防断裂、光洁度高，有利于井口密封。 ③ 抽油杆防倒转装置。防止了抽油杆倒扣。 ④ 油管防脱装置。锚定泵和油管，防止油管脱落。

2.1.2螺杆泵采油系统工作原理

螺杆泵采油系统工作时，由地面动力设备带动抽油杆柱旋转，连接于抽油杆底端的螺杆泵转子随之一起转动，井液从螺杆泵下部吸入，由上端排出，并从油管流出井口，再通过地面管线输送至计量站。螺杆泵是靠空腔排油，由于定子比转子多一条螺旋线，所以在转子与定子间形成一个个互不连通的封闭腔室，当转子在定子中旋转时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端均匀地挤到排出端，同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入，这样，封闭空腔随着转子的旋转而不断变换位置，并呈现周期性的重复出现，且转子沿着自己的轴线旋转的同时又平行于定子轴线并绕定子轴线沿一定的半径作圆周滚动，从而将井内的流体由底部密封腔逐级推向顶部密封腔，并逐级提高压力，这样，把杆管环空中的流体连续不断的举升到地面

[11,12]

。

如图2-2所示，为单螺杆泵定子—转子副，定子和转子之间形成一系列的密封腔室，转子运动时（行星运动），密封腔室在轴线方向沿螺旋线运动，按照旋向，输送原油。由于转子是由金属材料制成，而定子是由弹性材料制成，所以两者组成的密封腔室很容易在入口管路中获得较高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。

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图2-2 螺杆泵定子-转子副

如图2-3所示，为单螺杆泵采油系统的工作示意图，图中为转子转动180°过程中，转子在定子中的位置。连续输液的过程，是以连续不断地打开和关闭密封腔室而实现的。当定子—转子副中吸入的第一个密封腔室的容积增加时，在它和吸入端的压差作用下，油流便进入第一个密封腔室，随着转子的转动，这个密封腔室开始封闭，并向排出端移动。就这样，油液通过一个又一个的密封腔室从吸入端被推挤到排出端，压力不断升高，排量非常均匀，从而形成稳定的环空螺旋流动。因此，螺杆泵抽油井杆管环空中井液的流动形态与抽油机井不同，是典型的稳定环空螺旋流动。

[13]

图2-3 螺杆泵工作示意图

2.2 螺杆泵相关参数 2.2.1 螺杆泵的工作压力

螺杆泵的工作压力取决于它的级数和每级能够承受（实现可靠密封）的压力大小。在螺杆泵结构参数确定的前提下，其级数取决于其长度，长度越大，级数越多。而每级能够承受的压力大小，则取决于定子和转子的配合间隙（过盈）。

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2.2.2 螺杆泵的理论排量

螺杆泵的理论排量为

Qth 1440 4eDTn

(2-1)

式中 Qth —— 理论排量，m3/d；

e —— 偏心距，m； D —— 转子截面直径，m； T —— 定子导程，m； n —— 转子转速，r/min.

2.2.3 螺杆泵的容积效率

螺杆泵的容积效率 v也常称为螺杆泵的泵效，可由下式计算：

Q

100% Qth

v

(2-2)

式中 Q —— 螺杆泵的实际排量，m3/d.

式(2-1)和式(2-2)中偏心距e、转子截面直径D、定子导程T都是螺杆泵的结构参数。结构参数确定后，螺杆泵的排量就只与转速n和容积效率 v有关。

2.2.4 螺杆泵的系统效率

螺杆泵的系统效率 P可由下式计算

2eDT

p v 10 3 π M

p

(2-3)

式中 p —— 泵进出口压差， p pout pin，其中pout、pin分别为泵排出口和

吸入口压力，MPa；

M —— 转子的工作扭矩，N·m.

上述系统效率公式中，排出压力pout与下泵的深度有关；pin取决于泵的沉没度，也与下泵深度有一定的关系；转子的工作扭矩M与定子和转子的配合间隙（过盈）有关，配合得越紧，摩擦阻力矩越大。

2.2.5 螺杆泵的水功率

螺杆泵的水功率Pw，即在一定的扬程下，将一定排量的井下液体举升到地面所需要的功率，也称为螺杆泵的有效功率，有

Pw

Q H

86400 102

(2-4)

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式中 —— 混合液密度，kg/ m3；

Q —— 螺杆泵的实际排量，m3/d； H —— 螺杆泵有效举升高度，m.

其中

H hy

pt pc 102

(2-5)

式中 hy —— 动液面深度，m；

pt —— 油压，MPa； pc —— 套压，MPa；

—— 混合液比重。

2.2.6 螺杆泵井系统效率

我们定义螺杆泵井的系统效率为螺杆泵抽油系统的有效功率（即水功率）与输入功率的比值，即

Pw

Pi

(2-6)

式中 Pi —— 电动机输入功率，kW；

根据螺杆泵采油系统工作特点，以盘根盒为界可将其效率分为2部分，即地面效率和井下效率[14]

式中 up —— 地面效率，%；

up down

down —— 井下效率，%.

（1）地面效率

地面部分的能量损失主要发生在电动机、减速箱和皮带中，因此有

(2-7)

式中 1 —— 电机效率，%；

up 1 2 3

2 —— 减速箱效率，%；

(2-8)

3 —— 皮带效率，%.

（2）井下效率

井下部分的能量损失主要在抽油杆、管柱和螺杆泵中，有

down 4 5 p

(2-9)

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式中 4 —— 抽油杆效率，%；

5 —— 管柱效率，%；

p —— 螺杆泵系统效率，%.

因此，可得

1 2 3 4 5 p

(2-10)

我们也可以这样认为：就一般的生产井而言，在正常情况下，地面设备的效率不会太低[15]。大多数低效井的功率损耗主要在井下，尤其是泵系统效率的损耗。因此，提高全井系统效率的关键就在于降低井下的能量损耗，提高井下效率，即提高泵的系统效率，而如何提高全井系统效率的问题也就转化成如何提高螺杆泵系统效率的问题。

2.3 螺杆泵工作特性曲线

螺杆泵工作特征曲线是反映螺杆泵举升性能的曲线，也可称作螺杆泵的外特性曲线，它可以通过在室内检测试验装置上，模拟井下工况而得到。螺杆泵工作特征曲线有三条曲线组成：

曲线①：容积效率 v 曲线——容积效率与扬程 p 的关系曲线； 曲线②：扭矩 M 曲线——转子扭矩与扬程 p 的关系曲线； 曲线③：系统效率 曲线——系统效率与扬程 p 的关系曲线。 螺杆泵的三条工作特性曲线如图2-4所示。

[16]

100 η, ηv, %

80 60 40 20 0

M, N·m

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Δp, MPa

图2-4 螺杆泵工作特征曲线

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2.4 螺杆泵最佳/合理工作区的选择

泵的容积效率随压力升高而降低，机械效率随压力升高而升高。因为在压力较低时，橡胶密封性能较好，液体漏失量很小，转子和定子橡胶几乎直接接触摩擦，由于橡胶的摩擦系数较大，摩擦损失也较大，机械效率低；当压力升高到有一些液体漏失时，容积效率缓慢降低，干摩擦变为有润油的摩擦，机械效率升高；当压力继续升高，有大量液体漏失时，容积效率开始大幅度下降，转子、定子间的摩擦变为液体之间的摩擦，摩擦损失很小，机械效率很高，螺杆泵系统效率的高效区变宽，它的最高点大约在容积效率曲线的拐弯处附近。在这一区域，泵开始被“击穿”，容积效率急剧下降，但还不是大量下降，机械效率己接近达到最大值，所以系统效率最高。

如图2-5的螺杆泵工作特性曲线所示，我们认为当容积效率为60%时，系统效率曲线上A、C两点分别对应的 P1、 P3之间的区域为合理工作区域

[17,18]

。泵在井

下工作时，若工作点落在合理工作区外的右侧，泵的容积效率很低，甚至抽不出油，失去了螺杆泵高效节能的优势。这种现象在现场使用时有发生。另一种情况是，泵的工作点落在合理工作区外的左侧，这时虽然容积效率几乎为100%，但润油不充分，机械效率非常低，摩擦损失很大，系统效率也较低，而且易于使泵过早失效。

通过调研大量研究资料并经过综合考虑后，我们认为，合理工作区内的左侧区域，即B点（理论上系统效率最高点）和A点分别对应 P2、 P1之间的区域为螺杆泵的最佳工作区域。泵在这一区域工作不但效率高，而且寿命长。附录一中给出了现场中常用的2种泵型（KGLB500-20和GLB800-18）在不同转速下的工作特性曲线及其合理/最佳工作区，如附录一中图1～图11所示。

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图2-5 螺杆泵最佳/合理工作区示意图

0

123

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第3章 螺杆泵泵效和系统效率影响因素分析

3.1砂粒的影响

砂粒的影响包括砂粒的尺寸含量硬度和速度。较大的砂粒，不易通过螺杆泵内的密封线，常常嵌入定子的表面，泵运转时磨损转子；高含量的粉细砂以高速度冲击转子和定子，在螺杆泵转子的谷顶磨出较深的沟槽。油井的含沙量对螺杆泵的使用寿命有较大的影响。螺杆泵的摩损于进入到螺杆泵内与转子定子接触砂粒的数量成正比关系。即：在不考虑机械方面的因素时，油井含砂量越大，螺杆泵寿命越短。砂粒的硬度高于转子表面的硬度时，会将转子表面的硬质涂层划伤，从而损坏定子，通常砂粒硬度的增加会加剧螺杆泵的磨损。而且若转子表面硬质镀层脱落，特别是在酸性油井中，将加剧螺杆泵的腐蚀。螺杆泵内砂粒的速度对螺杆泵的影响分为两个方面：可以预测的螺杆泵内部流速和不可以预测的砂粒的速度引起的螺杆泵内流体在空腔与空腔之间的相对滑动。

3.2 定子与转子间配合间隙对螺杆泵效率的影响 3.2.1 结构参数的误差

螺杆泵结构参数是指偏心距e、转子直径D和导程T。合理选择这些参数能够使螺杆泵定子与转子具有合适的配合间隙，从而确保螺杆泵具有较好的举升性能。螺杆泵定子与转子之间的运动是啮合运动，为了不发生干涉现象，实现高效可靠运行，在螺杆泵的加工过程中，必须保证定子与转子具有较高的型线精度、尺寸精度和表面质量。

[19]

（1）偏心距e的误差

当实际偏心距小于设计偏心距e时，定子与转子之间会出现间隙，相邻两个腔室连通，使某一级失去举升能力；相反，当实际偏心距大于设计偏心距e值，会使定子与转子之间的过盈量很大，甚至会使啮合运动发生干涉。因此，偏心距的误差值应控制在定子与转子的合理过盈量之内。

（2）转子直径D的误差

转子直径D如果过小，表现为定子与转子之间出现空隙，定子与转子不接触，相邻腔室及相邻两级连通，失去举升能力。对于举升低粘度（小于100 mPa·s）介质的螺杆泵，我们一般要求转子直径稍大，即实现过盈配合。

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转子截面的圆度误差反映为截圆直径的不均匀性，具体表现为定子与转子间在运转的不同时刻，过盈量有所不同。如果圆度误差较大，转子的某个部位因为直径较小，实现不了过盈配合，那么在运转的某一时刻某一啮合点会出现间隙，降低举升能力；同时，过盈量的不均匀也会导致定子不同部位橡胶的磨损程度不同而降低螺杆泵的寿命，所以转子截圆圆度是转子型线精度的主要指标，应尽量提高转子的截圆圆度。

转子截圆的不圆度（最大直径与最小直径之差）应不大于定子与转子之间的合理过盈量。

（3）导程T的误差

导程误差会使定子与转子的啮合位置发生变化，即发生干涉；同时，定子与转子的配合也发生变化，即一边过盈增加，一边出现间隙。

导程误差偏大时，即使由于定子橡胶的软特性使其啮合运动发生干涉也能运转，但要损失很多级的举升能力，要达到举升只有靠过盈，但是摩擦扭矩会大大增加，直接导致螺杆泵的效率很低。

导程的误差对螺杆泵的每一级以及整体而言，可用式（3-1）来限定。

式中 L ——导程的误差

T ——导程 ——过盈量 e ——偏心距

L

T arcsin 2π2e

(3-1)

3.2.2 过盈量的影响

螺杆泵的工作原理决定了要保证一定的泵效，就必须使定子、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于转子与定子之间的过盈量。因此，过盈量的大小直接影响螺杆泵泵效的高低。

图 3-1 过盈量对容积效率的影响

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图3-1 曲线由上到下分别为过盈量为 0.80mm、0.60mm和0.40mm。曲线表明不同过盈量下的容积效率的差别很大，因而将严重影响泵的系统效率。一方面，过盈量可获较高的泵效，但是抽油杆的扭矩增加，易出现油管、抽油杆断脱现象，并且定子橡胶磨损加剧，影响泵的寿命；另一方面，过盈量小虽然不宜出现上述问题，但泵的容积效率过低，将降低螺杆泵的系统效率。因此，要对过盈量进行合理地选择。所谓合理的过盈量，就是在能够保证一定的举升压力和容积效率的条件下的过盈量值。

螺杆泵在结构上是由刚性转子（一般由各种钢材、陶瓷等材料制成）与弹性定子（一般由工业橡胶或塑料等材料制成）相对运动时形成密闭容腔；其工作原理为转子绕着距定子中心一定偏心值（e值）进行类似的行星运动，在此过程中所形成闭合容腔作轴向移动，从而带动介质从入口处输送到出口处。

螺杆泵定子与转子之间的运动是啮合运动，定子与转子之间的间隙过大，会使螺杆泵相邻两级连通，即某一级失去举升能力；相反，间隙过小或者过盈量过大,会使啮合运动发生干涉。

螺杆泵定子与转子之间的过盈值直接影响螺杆泵的工作扭矩、单级工作压差和输送介质的漏失量。过盈值越大，螺杆泵的工作扭矩也越大，介质漏失量降低，单级工作压差就越高；过盈值越小，螺杆泵的工作扭矩越小，单级工作压差也越低，螺杆泵的扬程越低。螺杆泵在井下工作时的总过盈值主要包括——螺杆泵给定的初始过盈值、由热膨胀和原油溶胀造成的过盈值。

表3-1给出了不同螺杆泵泵型定子与转子间初始过盈值的推荐值。

表3-1不同泵型的初始过盈值

3.2.3 定子橡胶的溶胀、温胀及磨损

螺杆泵工作在油井中，高压、运转疲劳、摩擦，流体中含气，特别是流体中含二氧化碳、硫化氢气体等对定子橡胶都有影响。

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（1）定子橡胶的溶胀

定子橡胶的溶胀会使螺杆泵定子与转子之间的间隙变小，过盈量增大，干涉定子与转子之间的啮合运动，摩擦扭矩增大，使泵效降低，还会大大降低螺杆泵的使用寿命；另一方面，定子橡胶的溶胀，占据了空腔体积，使实际储存油液的空腔体积变小，导致螺杆泵的容积效率降低。

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下面我们分析一下定子橡胶溶胀导致的螺杆泵的容积效率损失。如图3-2所示，为定子橡胶溶胀后的螺杆泵定子横截面。

图3-2 定子横截面图

定子橡胶溶胀面积S及溶胀率W计算公式为

S 8E 2πr π 2

(3-2) (3-3)

8E 2πr π 2

W 100%

πR2 8Er πr2

式中 S ——定子橡胶溶胀面积

W ——定子橡胶溶胀率 E ——定子偏心距 T ——定子导程

r ——转子半径

R ——定子内径

——溶胀厚度。

根据螺杆泵的工作原理，定子在一个导程内与转子形成一个完整的封闭腔室，

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其体积V为

橡胶溶胀体积V'为

V 8E 2πr π 2 T

V 8Er πr2 T

(3-4)

(3-5)

则螺杆泵的容积效率损失量η′为

8E 2πr π 2

100% 2

8Er πr

(3-6)

因此，应该选用合适的橡胶，提高螺杆泵定子橡胶的耐油气性能，减小螺杆泵定子橡胶的溶胀量；根据油井的供液能力合理选择螺杆泵泵型，使螺杆泵在合

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理的压差下工作，以减小螺杆泵的容积效率损失，达到提高螺杆泵举升性能的目的；在橡胶溶胀率一定的条件下，尽可能地减少螺杆泵定子注胶时的橡胶用量，以减小橡胶溶胀量，提高螺杆泵的容积效率，进而提高螺杆泵的举升性能。

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（2）定子橡胶的温胀及磨损

在螺杆泵的工作过程中，螺杆泵的定子与转子之间存在多个紧密接触的密封界面，随着螺杆泵工作压力的增高，定子橡胶会撑开，密封界面处间隙增大，使螺杆泵的回流量（内泄）增大；当螺杆泵在额定工作压力以下工作时，定子与转子接触得很紧密，使转子在旋转时摩擦力很大，导致定子与转子的密封界面产生大量的摩擦热，并积聚在泵腔内部，使定子与转子表面急剧升温。高温的地下油液以及摩擦热的生成，使螺杆泵内过流部件长期处于较高温度下工作，定子橡胶受热后产生变形和膨胀，进而加剧了定子和转子密封界面处的摩擦热的生成，这种恶性循环的发展，必然加速定子内表面橡胶的老化和磨损，降低螺杆泵的使用寿命。

在这种情况下，如果采用硬质定子，并保证定子与转子之间有一较小间隙存在，摩擦热将不再产生。当然，在设计螺杆泵定子与转子之间的间隙时，必须保证螺杆泵在额定压力和转速下工作时的回流量在规定的设计指标以下；而硬质定子材料的选择，必须综合考虑材料的热膨胀、摩擦系数、耐磨性及与输送介质的相容性。实践证明，这种设计既可保证间隙的存在，又可保证螺杆泵的自吸和输送能力

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3.3 温度的影响

温度的影响对螺杆泵有好的一面，也有坏的一面，不利的因素占的比例大。温度高，使油流特性变好，结蜡减缓，粘度降低，油流沿程损失降低，使螺杆泵的举升压头降低。但是温度增高，会使定子橡胶发生温胀加快损坏，降低螺杆泵的举升性能，减少了螺杆泵的使用寿命，温度越高，定子与转子之间的摩擦力增加量越大，也使得螺杆泵的系统工况变差。

螺杆泵工作时，受环境温度的变化因素主要有下面几个方面： （1）地层。螺杆泵下入深度越深，即下泵深度越大，环境温度越高； （2）螺杆泵举升流体与橡胶摩擦产生大量的热量。流体与定子橡胶摩擦产生的热量，会使螺杆泵的定子橡胶急剧升温，升温的幅度与螺杆泵抽汲油量、流体的粘度、摩擦力的大小、举升压差等多方面的因素有关。

（3）油井作业时，也会使螺杆泵的温度发生变化。如注蒸汽，可使螺杆泵定子橡胶的温度大幅度升高；如注水、泥浆等都会使螺杆泵的温度下降。

总之，螺杆泵的定子橡胶温度受综合因素的影响。螺杆泵不工作时，允许的温度偏高，螺杆泵在工作的过程中不允许存在超过定子橡胶的许用温度。下泵后，螺杆泵定子橡胶的温度变化是一个重要的因素，不容忽视。

3.4 转速的影响

从螺杆泵工作特性曲线可以看出，如图2-4所示，螺杆泵的系统效率随着举升高度的增加而升高，当系统效率达到最大时，再增加举升高度，泵的容积效率和系统效率呈现出迅速下降的趋势。为此，为保持较高的系统效率，下泵深度应维持在合理范围。对于新井、电转螺井或抽转螺井而言，投产前合理的下泵深度设计尤为重要。

另一方面，对于已经处在生产状态中的螺杆泵井来说，在螺杆泵结构参数（包括导程、转子直径、偏心距、过盈量）、定子橡胶确定的条件下，以及生产过程中井下条件、生产设备基本一定的条件下，螺杆泵工作参数的调整，即转速的调整就成为影响螺杆泵容积效率和系统效率的最主要因素。

螺杆泵转子的转速大小直接影响螺杆泵的举升效率和螺杆泵的寿命。螺杆泵的转速过低，将会发生卡泵现象；反过来，转速过高，会使螺杆泵抽空。由螺杆泵理论排量计算公式（2-1）可知，在螺杆泵结构参数e，D ，T确定下来后，排量Q只与转速n成正比。因此，理论上，要实现较大的排量Q只要提高转子的转速

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